賈俊梁，閆文輝，王維旭，孫江峰

·開(kāi)發(fā)應(yīng)用·

主被動(dòng)結(jié)合型鉆柱升沉補(bǔ)償裝置

賈俊梁1，2，閆文輝1，王維旭2，3，孫江峰2，3

（1．西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安710065；2．寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；3．國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002）

介紹了一種主被動(dòng)結(jié)合型鉆柱升沉補(bǔ)償裝置，重點(diǎn)對(duì)其主動(dòng)補(bǔ)償部分的系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理、操作及控制原理進(jìn)行了闡述。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)船體升沉及油缸位移的監(jiān)測(cè)，利用P L C控制伺服閥的開(kāi)口大小和流向，分別給主動(dòng)補(bǔ)償油缸的上下腔體供油，提供合適的附加力，從而提高升沉補(bǔ)償?shù)木?。該裝置既可在被動(dòng)模式下作為被動(dòng)補(bǔ)償器單獨(dú)使用，也可主被動(dòng)結(jié)合使用，在減小能耗的基礎(chǔ)上提高補(bǔ)償精度，適用的海況范圍更廣。

升沉補(bǔ)償；鉆井；原理

近年來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)油氣資源消耗的遞增和陸地原油開(kāi)采速度的加快，油氣的開(kāi)采開(kāi)始由陸地轉(zhuǎn)向海洋，特別是向深海水域延伸。在深海鉆井時(shí)，平臺(tái)或鉆井船在海浪的作用下，將產(chǎn)生周期性的升沉運(yùn)動(dòng)，并使鉆柱上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而造成井底鉆壓變化，甚至使鉆頭脫離井底影響鉆進(jìn)，故必須采取鉆柱升沉運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償措施。

深海鉆井鉆柱升沉的補(bǔ)償措施根據(jù)安裝位置和結(jié)構(gòu)，主要有伸縮鉆桿、游車(chē)大鉤、天車(chē)、快繩（死繩）和絞車(chē)升沉補(bǔ)償?shù)葞追N形式［1］。鉆柱升沉補(bǔ)償裝置通常采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，主要有被動(dòng)式、主動(dòng)式、被動(dòng)＋主動(dòng)式3種形式［2］。

被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)相當(dāng)于1個(gè)大型液氣彈簧，依靠海浪的舉升力和船自身的重力來(lái)壓縮和釋放蓄能器的壓縮空氣，來(lái)減小升沉幅度以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償［3］。被動(dòng)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：在運(yùn)行期間幾乎不消耗能量。其缺點(diǎn)是：由于摩擦力和慣性的存在以及蓄能器壓力的變化，被動(dòng)補(bǔ)償滯后較大，補(bǔ)償?shù)男阅茌^差；另外，系統(tǒng)補(bǔ)償性能的可調(diào)節(jié)性差，在被動(dòng)系統(tǒng)完成后，除通過(guò)增減空氣瓶的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)其補(bǔ)償性能外，沒(méi)有其他方式來(lái)調(diào)節(jié)。

主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)通過(guò)液壓泵連續(xù)地給主動(dòng)補(bǔ)償缸的兩端輸入液壓油，主動(dòng)補(bǔ)償缸承擔(dān)整個(gè)鉆柱的重力，通過(guò)檢測(cè)油缸活塞及船體的位移，通過(guò)P L C控制使油缸活塞的位移與浮式平臺(tái)的升沉盡可能協(xié)調(diào)一致。其優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)的補(bǔ)償精度高，性能比較穩(wěn)定，可通過(guò)P L C程序來(lái)調(diào)節(jié)其補(bǔ)償?shù)男阅?；其缺點(diǎn)是：需要的能耗很高。由于所有的鉆柱重力由主動(dòng)補(bǔ)償缸來(lái)承擔(dān)，在工作中其能量的消耗是非常大的，且由于油缸及能耗的限制，無(wú)法應(yīng)用于大型鉆機(jī)系統(tǒng)。

為了在提高補(bǔ)償系統(tǒng)精度的同時(shí)降低系統(tǒng)能耗，本文在被動(dòng)式鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上，增設(shè)了主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，提出了一種游車(chē)型主被動(dòng)結(jié)合的鉆柱升沉補(bǔ)償裝置。該裝置的被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)部分的原理與被動(dòng)式鉆柱升沉補(bǔ)償裝置氣液控制系統(tǒng)的原理［4］相同，本文將不再詳細(xì)描述。本文著重對(duì)該型鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的主被動(dòng)結(jié)合工作模式下的系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理、操作及控制進(jìn)行介紹。

1　系統(tǒng)整體方案

該主被動(dòng)結(jié)合型升沉補(bǔ)償裝置由被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)和主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)2個(gè)相輔相成而又各自獨(dú)立的系統(tǒng)構(gòu)成，它既可以用被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)單獨(dú)工作，也可以主被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)合工作。該裝置有被動(dòng)和主被動(dòng)結(jié)合2種工作模式。

1．1 被動(dòng)工作模式

在被動(dòng)工作模式下，主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)不參與工作，僅被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)工作。鉆柱載荷由被動(dòng)補(bǔ)償缸承擔(dān)，主動(dòng)補(bǔ)償缸隨動(dòng)。

1．2 主被動(dòng)結(jié)合工作模式

在該模式下，主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)與被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)合一起參與工作，鉆柱載荷仍主要由被動(dòng)補(bǔ)償缸承擔(dān)，主動(dòng)補(bǔ)償缸僅提供主動(dòng)附加力。利用主動(dòng)油缸輸出的主動(dòng)力抵消油缸摩擦力、鉆柱在鉆井液中摩擦力、液氣彈簧恢復(fù)力及慣性等相關(guān)因素的影響，使油缸的升沉與船體的升沉運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)盡可能吻合，可在提高系統(tǒng)補(bǔ)償精度的同時(shí)，降低系統(tǒng)的能耗。

該裝置在海況較好時(shí)用被動(dòng)工作模式，可在節(jié)省能量消耗的同時(shí)穩(wěn)定井底鉆壓，更經(jīng)濟(jì)地鉆井；在海況較差及下放B O P等海底井口設(shè)備作業(yè)，需要更高的補(bǔ)償精度時(shí)，用主被動(dòng)結(jié)合工作模式，以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的需要。

2　主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)構(gòu)成

主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)由機(jī)械液壓部分和P L C控制部分組成。

2．1 機(jī)械液壓部分

主被動(dòng)結(jié)合鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)機(jī)械部分構(gòu)成如圖1所示。

主動(dòng)補(bǔ)償油缸和被動(dòng)補(bǔ)償油缸各2個(gè)，均采用活塞桿向下布置，油缸體均安裝在上框架上。由于被動(dòng)補(bǔ)償油缸為主承載缸，布置在補(bǔ)償器本體中間，主動(dòng)補(bǔ)償油缸布置在兩側(cè)。游車(chē)與上框架作為一體。主、被動(dòng)油缸的活塞與下框架相連，下框架下懸掛頂驅(qū)及鉆柱等。主被動(dòng)的4個(gè)油缸的行程相同，并聯(lián)排列，共同承擔(dān)頂驅(qū)及鉆柱重力。在工作時(shí)，4個(gè)油缸的活塞位移一致。

上下框架的鎖緊裝置用于補(bǔ)償油缸完全縮回時(shí)，將上下框架固定，補(bǔ)償系統(tǒng)不工作，常在起鉆及鉆井間歇期封存時(shí)使用。

兩位兩通電磁閥用于連通主動(dòng)補(bǔ)償油缸的上、下缸體腔室。在僅被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)工作時(shí)，兩位兩通電磁閥連通主動(dòng)補(bǔ)償油缸的上、下缸體腔室，主動(dòng)補(bǔ)償缸隨被動(dòng)補(bǔ)償缸的上、下升沉運(yùn)動(dòng)，以免由于主動(dòng)缸的腔體內(nèi)阻而增加被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的摩阻力。當(dāng)主被動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合工作時(shí)，兩位兩通電磁閥關(guān)閉，主動(dòng)補(bǔ)償油缸的上、下腔體完全隔離，主動(dòng)油缸提供1個(gè)附加作用力。兩位兩通電磁閥的關(guān)閉和接通由P L C控制。

伺服閥用于快速地同時(shí)向主動(dòng)補(bǔ)償油缸的上或下缸體腔室通液壓油，從而使主動(dòng)油缸伸出或縮回，其開(kāi)啟方向和開(kāi)啟度由P L C控制。

兩位兩通電磁閥和伺服閥組合在1個(gè)閥塊，安裝在補(bǔ)償器本體上，盡可能減小與主動(dòng)油缸的距離，以便于減小由于液壓油流動(dòng)而引起的延遲。由于伺服閥具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)速度快以及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，采用伺服閥可以提高液壓油流量控制的精度和系統(tǒng)響應(yīng)速度。

主動(dòng)補(bǔ)償液壓站主要由壓力表及系統(tǒng)壓力傳感器、電機(jī)、液壓泵、濾芯、油箱等部件組成，如圖1。主動(dòng)補(bǔ)償液壓站和組合式閥塊通過(guò)管線(xiàn)、軟管連接，為主動(dòng)補(bǔ)償油缸提供液壓動(dòng)力。

圖1　主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)機(jī)械部分原理

2.2 PLC控制部分

PL C控制系統(tǒng)主要由P L C控制、運(yùn)動(dòng)參考單元（M R U）、油缸位移傳感器及司鉆控制盤(pán)組成，控制系統(tǒng)如圖2所示。

運(yùn)動(dòng)參考單元（M R U）安裝在船體上，實(shí)時(shí)反饋船體升沉運(yùn)動(dòng)的參數(shù)信號(hào)至P L C控制。油缸位移傳感器安裝在主動(dòng)補(bǔ)償缸上，實(shí)時(shí)反饋油缸活塞的位移參數(shù)信號(hào)至PL C。系統(tǒng)壓力傳感器安裝在液壓站上，反饋主動(dòng)補(bǔ)償液壓系統(tǒng)的壓力信號(hào)至P L C。司鉆控制盤(pán)安裝在司鉆房?jī)?nèi)，便于司鉆進(jìn)行操作。PL C控制系統(tǒng)收集運(yùn)動(dòng)參考單元（M R U）、油缸位移傳感器及系統(tǒng)壓力的信號(hào)，來(lái)通過(guò)分析、對(duì)比及邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)控制液壓站電機(jī)的啟停、兩位兩通電磁閥的通斷及伺服閥的開(kāi)啟方向和開(kāi)啟度。伺服閥同時(shí)也實(shí)時(shí)反饋伺服閥的開(kāi)啟方向和開(kāi)啟度至P L C。

圖2　PLC控制系統(tǒng)

3　主被動(dòng)結(jié)合補(bǔ)償工作原理

當(dāng)船體在海洋中作業(yè)時(shí)，船體在波浪的作用下上下升沉運(yùn)動(dòng)。但由于液氣彈簧回復(fù)力及摩擦力的影響，被動(dòng)油缸活塞的運(yùn)動(dòng)位移與船體的升沉有一定的差異，且具有一定的滯后性。在被動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上增設(shè)主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，利用主動(dòng)補(bǔ)償缸輸出的主動(dòng)力抵消摩擦力和氣壓變化的影響，可有效地提高系統(tǒng)的補(bǔ)償效果［5］。主動(dòng)補(bǔ)償油缸通過(guò)提供一定的附加主動(dòng)力，可使油缸活塞的位移與船體的升沉更趨接近，時(shí)間上的滯后更小。當(dāng)船體向上浮動(dòng)時(shí)，被動(dòng)補(bǔ)償油缸的活塞在慣性的作用下向下運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)油缸給1個(gè)向下的附加力，使活塞向下運(yùn)動(dòng)的位移增大，以與船體的升沉位移趨向一致；當(dāng)船體向下浮動(dòng)時(shí)，被動(dòng)補(bǔ)償油缸的活塞在慣性的作用下向上運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)油缸給1個(gè)向上的附加力，使活塞向上運(yùn)動(dòng)的位移增大，以與船體的升沉位移趨向一致。通過(guò)主動(dòng)油缸附加力的作用，可使鉆柱更好地與船體的升沉運(yùn)動(dòng)隔離，保持井底鉆壓的穩(wěn)定。

4　操作及控制原理

主動(dòng)補(bǔ)償?shù)乃俱@操作臺(tái)如圖3所示，主要包括系統(tǒng)壓力表顯示和液壓站急停、液壓站啟動(dòng)和停止、主動(dòng)缸補(bǔ)償啟動(dòng)和停止的啟停按鈕。

當(dāng)需要使用主被動(dòng)結(jié)合補(bǔ)償功能時(shí)，先按液壓站啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)主動(dòng)液壓站，液壓泵開(kāi)始供油，但是由于伺服閥沒(méi)有動(dòng)作，壓力油通過(guò)溢流閥返回油箱。然后再按主動(dòng)補(bǔ)償啟動(dòng)按鈕，主被動(dòng)結(jié)合補(bǔ)償功能開(kāi)啟。此時(shí)，P L C控制兩位兩通電磁閥關(guān)斷，主動(dòng)補(bǔ)償油缸的上下油腔隔離。運(yùn)動(dòng)參考單元（M R U）采集船體升沉運(yùn)動(dòng)的參數(shù)并輸出給P L C控制系統(tǒng)。PL C控制系統(tǒng)根據(jù)M R U提供的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)時(shí)提取船體的升沉位移并與油缸的位移傳感器輸出的油缸位移進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)船體的升沉運(yùn)動(dòng)位移和油缸位移的差值，控制伺服閥的開(kāi)啟度和液壓油的流向，給主動(dòng)缸的上部油缸腔或下部油缸腔供油，控制主動(dòng)補(bǔ)償油缸的移動(dòng)速度和方向，使油缸活塞的運(yùn)動(dòng)與船體的升沉運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)盡可能吻合，從而減小整體補(bǔ)償裝置的下框架及其下部懸掛的頂驅(qū)、鉆柱相對(duì)于井底的相對(duì)移動(dòng)，提升整體系統(tǒng)的補(bǔ)償效果。

當(dāng)需要停止主被動(dòng)結(jié)合補(bǔ)償時(shí)，需先按主動(dòng)補(bǔ)償停止按鈕，主被動(dòng)結(jié)合補(bǔ)償功能關(guān)閉。此時(shí)，P L C控制兩位兩通電磁閥接通，主動(dòng)補(bǔ)償油缸的上下油腔接通，主動(dòng)補(bǔ)償油缸處于隨動(dòng)狀態(tài)。然后再按液壓站停止按鈕，關(guān)閉液壓泵，液壓站完全停止，系統(tǒng)回到被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)工作狀態(tài)。

圖3　主動(dòng)補(bǔ)償?shù)乃俱@操作臺(tái)

5　主動(dòng)系統(tǒng)附加力估算

鑒于影響被動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)償精度的幾個(gè)因素，主動(dòng)力需要克服被動(dòng)系統(tǒng)液氣彈簧的恢復(fù)力、油缸活塞的摩擦力及鉆桿在鉆井液內(nèi)的摩擦力的影響，故主動(dòng)系統(tǒng)附加力可由下式粗略估算，即Fa＝Fp＋f1＋f2（1）式中：Fa為主動(dòng)系統(tǒng)附加力；Fp為液氣彈簧的恢復(fù)力；f1為油缸活塞的摩擦力；f2為鉆桿在鉆井液內(nèi)的摩擦力，由于在主被動(dòng)結(jié)合補(bǔ)償模式中，鉆桿在鉆井液中運(yùn)動(dòng)很小，且該摩擦力對(duì)補(bǔ)償精度是有益的，其數(shù)值對(duì)主動(dòng)力的估算無(wú)負(fù)面影響，故可忽略不計(jì)。

設(shè)鉆井船對(duì)地球的升沉位移為X1、鉆柱對(duì)鉆井船的位移為X2，即補(bǔ)償油缸活塞的位移。增加主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的主要目的就是為了盡可能使X2與X1相等。若增加主動(dòng)力，使油缸的位移與船體的升沉相同，則液氣彈簧的恢復(fù)力為

式中：Kp為被動(dòng)系統(tǒng)液氣彈簧系數(shù)［6］，As為被動(dòng)補(bǔ)償缸的有桿腔面積；p0為被動(dòng)補(bǔ)償氣罐壓力；V0為氣罐體積。

由于主動(dòng)和被動(dòng)補(bǔ)償油缸并聯(lián)，主被動(dòng)油缸的活塞位移相同。X1可由運(yùn)動(dòng)參考單元（M R U）測(cè)量給出，X2可由油缸位移傳感器測(cè)量給出。則油缸活塞的摩擦力為［6］

式中：c為活塞與液缸之間的摩擦因數(shù)；h為密封的有效高度；D為被動(dòng)補(bǔ)償液缸內(nèi)徑。

將式（2）～（3）代入式（1），即可估算出主動(dòng)系統(tǒng)所需的附加力。

6　結(jié)論

1） 該裝置是在被動(dòng)式鉆柱升沉補(bǔ)償裝置氣液控制系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，增加了主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)而形成的，其所需的能量?jī)H約為純主動(dòng)式補(bǔ)償系統(tǒng)的10%，補(bǔ)償精度與純主動(dòng)式補(bǔ)償系統(tǒng)相當(dāng)，鉆壓誤差可控制在±2．5%。

2） 該裝置采用主＋被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)組合方式，控制簡(jiǎn)易高效，可擴(kuò)展到其他型式的補(bǔ)償裝置中使用。

3） 該裝置即可在被動(dòng)模式下作為被動(dòng)補(bǔ)償器單獨(dú)使用，也可在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需要時(shí)，用主被動(dòng)結(jié)合模式工作，作業(yè)者可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活使用。

［1］ 任克忍，沈大春，王定亞，等．海洋鉆井升沉補(bǔ)償系統(tǒng)技術(shù)分析［J］．石油機(jī)械，2009，37（9）：125-128．

［2］ 白鹿，張彥廷，張作龍，等．鉆柱液壓升沉補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算及比較分析［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（3）：10-13．

［3］ 姜浩，劉衍聰，張彥廷，等．浮式鉆井平臺(tái)被動(dòng)升沉補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)［J］．液壓與氣動(dòng)，2011（10）：50-54．

［4］ 王維旭，于興軍，賈秉彥，等．被動(dòng)式鉆柱升沉補(bǔ)償裝置氣液控制系統(tǒng)的原理［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（2）：30-33．

［5］ 張彥廷，劉振東，姜浩，等．浮式鉆井平臺(tái)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)主動(dòng)力研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（4）：1-4．

［6］ 方華燦．海洋鉆井船升沉補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，1976（5）：25-38．

Active and Passive Com bination Drill String Heave Com pensation Device

JIA Junliang1，2，YANWenhui1，WANGWeixu2，3，SUN Jiangfeng2，3
（1.College of M echanical Engineering，Xi’an Shiyou Uniuersity，Xi’an710065，China；2.Baoji Oilfield M achinery Co.，Ltd.，Baoji721002，China；3.N ational Oil&Gas Drilling Equip ment Engineering Research Center，Baoji721002，China）

O ne kind of active and passive co m bination drill string co m pensation device is introduced，mainly its system constitution，operation and control principle．Through m onitoring the hull heave and oil cylinder displacement，P L C system was used to control servo valve open angle and flow direction supply hydraulic pressure oilto the upper or botto m cha m ber of active co m pensation cylinder，the system can provide appropriate additionalforce，so as to im prove the precision of the heave co m pensation．T his device can w ork in passive m ode as a passive co m pensator alone，also can w ork in active and passive co m bination m ode，improving the precision of the heave compensation on the basis of reducing energy consu me，and can be appl ied in extended weather windows．

heave co m pensation；drilling；theory

T E951

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．013

1001-3482（2015）01-0052-04

2014-07-11

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“深水鉆機(jī)與鉆柱自動(dòng)化處理關(guān)鍵技術(shù)研究”（2012 A A09 A203）

賈俊梁（1981-），男，山西運(yùn)城人，工程師，碩士研究生，主要從事海洋石油裝備技術(shù)研究，E-mail：jiajunliang2013 ＠163．co m。